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WO2020004021A1 - 双方向スイッチ素子 - Google Patents

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Publication number
WO2020004021A1
WO2020004021A1 PCT/JP2019/023188 JP2019023188W WO2020004021A1 WO 2020004021 A1 WO2020004021 A1 WO 2020004021A1 JP 2019023188 W JP2019023188 W JP 2019023188W WO 2020004021 A1 WO2020004021 A1 WO 2020004021A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
algan layer
switch element
bidirectional switch
algan
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/023188
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
雅則 野村
弘明 上野
雄介 木下
山田　康博
秀俊 石田
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority to DE112019003283.6T priority Critical patent/DE112019003283T5/de
Priority to US17/256,475 priority patent/US11605715B2/en
Priority to JP2020527374A priority patent/JP7203361B2/ja
Publication of WO2020004021A1 publication Critical patent/WO2020004021A1/ja

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/17—Semiconductor regions connected to electrodes not carrying current to be rectified, amplified or switched, e.g. channel regions
    • H10D62/343—Gate regions of field-effect devices having PN junction gates
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having 2D charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/473—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT
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    • H10D30/4732—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT using Group III-V semiconductor material
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    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
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    • H10D30/83—FETs having PN junction gate electrodes
    • H—ELECTRICITY
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    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D64/602—Heterojunction gate electrodes for FETs
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
    • H10D62/85—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group III-V materials, e.g. GaAs
    • H10D62/8503—Nitride Group III-V materials, e.g. AlN or GaN

Definitions

  • the present disclosure generally relates to a bidirectional switch element, and more particularly, to a bidirectional switch element including two gate electrodes.
  • Patent Document 1 a bidirectional switch element that is a double gate (dual gate) semiconductor element has been proposed.
  • a semiconductor layer laminate is formed on a conductive substrate made of silicon with a buffer layer made of AlN interposed therebetween.
  • a first layer (GaN layer) made of undoped GaN and a second layer (first AlGaN layer) made of undoped AlGaN are sequentially stacked from below.
  • a channel region which is a two-dimensional electron gas layer is generated.
  • first source electrode On the semiconductor layer laminate, a first ohmic electrode (first source electrode) and a second ohmic electrode (second source electrode) are formed at an interval from each other.
  • the first p-type nitride semiconductor layer was formed in the region between the first ohmic electrode and the second ohmic electrode on the semiconductor layer laminate, in order from the first ohmic electrode side, with the first p-type nitride semiconductor layer interposed therebetween.
  • a first gate electrode and a second gate electrode formed with a second p-type nitride semiconductor layer interposed therebetween are arranged.
  • ⁇ Object of the present disclosure is to provide a bidirectional switch element capable of suppressing current collapse.
  • One embodiment of the bidirectional switch element according to the present disclosure includes a substrate, an Al z Ga 1-z N layer (here, 0 ⁇ z ⁇ 1), and an Al b Ga 1-b N layer (here, 0 ⁇ b ⁇ 1), a first source electrode, a first gate electrode, a second gate electrode, a second source electrode, and a p-type Al x1 Ga 1-x1 N layer (where 0 ⁇ x1 ⁇ 1), p-type Al x2 Ga 1-x2 N layer (here, 0 ⁇ x2 ⁇ 1), and Al y Ga 1-y N layer (where 0 ⁇ y ⁇ 1, and z ⁇ y ⁇ b) and an Al w Ga 1-w N layer (here, 0 ⁇ w ⁇ 1 and z ⁇ w ⁇ b).
  • the Al z Ga 1 -zN layer is formed on the substrate.
  • the Al b Ga 1-b N layer is formed on the Al z Ga 1-z N layer.
  • the first source electrode, said first gate electrode, the second gate electrode, and the second source electrode is formed on the Al b Ga 1-b N layer.
  • the p-type Al x1 Ga 1-x1 N layer is interposed between the first gate electrode and the Al b Ga 1-b N layer.
  • the p-type Al x2 Ga 1-x2 N layer is interposed between the second gate electrode and the Al b Ga 1-b N layer.
  • the Al y Ga 1-y N layer is interposed between the substrate and the Al z Ga 1-z N layer. It said Al w Ga 1-w N layer is interposed between the substrate and the Al y Ga 1-y N layer.
  • the concentration of C in the Al w Ga 1-w N layer is higher than the concentration of C in the Al y Ga 1-y N layer.
  • FIG. 1 is a sectional view of the bidirectional switch element according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is an ON resistance ratio-voltage characteristic diagram of the bidirectional switch element according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is an ON resistance ratio-voltage characteristic diagram of the bidirectional switch element according to the comparative example.
  • FIG. 3 is a sectional view of a bidirectional switch element according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a current-voltage characteristic diagram of the bidirectional switch element according to the first embodiment and the bidirectional switch element according to the comparative example.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the bidirectional switch element according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a current-voltage characteristic diagram of the bidirectional switch element according to the second embodiment and the bidirectional switch element according to the comparative example.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the bidirectional switch element according to the third embodiment.
  • FIGS. 1, 3, 5, and 7 described in the following embodiments and the like are schematic diagrams, and the ratio of the size and thickness of each component in FIGS. Does not necessarily reflect the dimensional ratio.
  • the bidirectional switch element 1 can be used, for example, in a power converter such as a matrix converter that performs AC-AC power conversion, but is not limited to this. For example, it can be used in a relay, an AC switch for dimming a lighting device, or the like. Can also be used.
  • the bidirectional switch element 1 is, for example, a dual-gate GaN-based GIT (Gate Injection Transistor).
  • the bidirectional switch device 1 includes a substrate 2, a GaN layer 6, a first AlGaN layer 7, a first source electrode S1, a first gate electrode G1, a second gate electrode G2, and a second , A first p-type AlGaN layer 81, and a second p-type AlGaN layer 82.
  • GaN layer 6 is formed on substrate 2.
  • the first AlGaN layer 7 is formed on the GaN layer 6, and forms a first hetero junction HJ1 together with the GaN layer 6.
  • a two-dimensional electron gas (Two-Dimensional Electron Gas) is generated near the first hetero junction HJ1.
  • a region containing a two-dimensional electron gas (hereinafter, also referred to as a “two-dimensional electron gas layer”) can function as an n-channel layer (electron conductive layer).
  • the first source electrode S1 is formed on the first AlGaN layer 7.
  • the first gate electrode G1 is formed on the first AlGaN layer 7.
  • the second gate electrode G2 is formed on the first AlGaN layer 7 at a position opposite to the first source electrode S1 when viewed from the first gate electrode G1.
  • the second source electrode S2 is formed on the first AlGaN layer 7 at a position opposite to the first gate electrode G1 when viewed from the second gate electrode G2.
  • the bidirectional switch element 1 in one direction along the surface 71 of the first AlGaN layer 7, the first source electrode S1, the first gate electrode G1, the second gate electrode G2, and the second The source electrodes S2 are arranged in this order.
  • the first source electrode S1, the first gate electrode G1, the second gate electrode G2, and the second source electrode S2 are separated from each other in the one direction.
  • the bidirectional switch element 1 is a normally-off bidirectional switch element, and includes the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 described above.
  • the first p-type AlGaN layer 81 is interposed between the first gate electrode G1 and the first AlGaN layer 7.
  • the second p-type AlGaN layer 82 is interposed between the second gate electrode G2 and the first AlGaN layer 7.
  • a state in which a voltage equal to or higher than the first threshold voltage is not applied between the first gate electrode G1 and the first source electrode S1 is referred to as a state in which the first gate electrode G1 is in an off state.
  • a state in which a voltage equal to or higher than a first threshold voltage is applied between the first gate electrode G1 and the first source electrode S1 with the first gate electrode G1 being on the high potential side is referred to as a first gate.
  • the electrode G1 is also called an ON state.
  • a state in which a voltage equal to or higher than the second threshold voltage is not applied between the second gate electrode G2 and the second source electrode S2 is also referred to as a state in which the second gate electrode G2 is off.
  • a state in which a voltage equal to or higher than a second threshold voltage is applied between the second gate electrode G2 and the second source electrode S2 with the second gate electrode G2 being on the high potential side is referred to as a second gate.
  • the electrode G2 is also called an ON state.
  • the bidirectional switch element 1 realizes a normally-off transistor by including the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 described above.
  • the first p-type AlGaN layer 81 forms a depletion layer between the first AlGaN layer 7 and the GaN layer 6 immediately below the first p-type AlGaN layer 81 when the first gate electrode G1 is off.
  • the second p-type AlGaN layer 82 forms a depletion layer in the first AlGaN layer 7 and the GaN layer 6 immediately below the second p-type AlGaN layer 82 when the second gate electrode G2 is in the off state. .
  • the bidirectional switch element 1 when the first gate electrode G1 is on, the first gate electrode G1 and the first source electrode S1 can be connected with the two-dimensional electron gas (the first gate electrode G1). The two-dimensional electron gas is not blocked by the depletion layer between the electrode G1 and the first source electrode S1). Further, in the bidirectional switch element 1, when the second gate electrode G2 is in the ON state, the second gate electrode G2 and the second source electrode S2 can be connected with the two-dimensional electron gas (second electrode). The two-dimensional electron gas is not blocked by the depletion layer between the gate electrode G2 and the second source electrode S2).
  • the first source electrode S1 and the second No current can flow in any direction between the source electrode S2 and the source electrode S2. More specifically, in the case of the first operation mode, a current flowing from the first source electrode S1 to the second source electrode S2 when the first source electrode S1 has a higher potential than the second source electrode S2. When the current is cut off and the second source electrode S2 has a higher potential than the first source electrode S1, the current flowing from the second source electrode S2 to the first source electrode S1 is cut off.
  • the first source electrode S1 and the second A current can flow bidirectionally between the source electrode S2 and the source electrode S2. More specifically, in the case of the second operation mode, a current flows from the first source electrode S1 to the second source electrode S2 when the first source electrode S1 has a higher potential than the second source electrode S2. When the second source electrode S2 has a higher potential than the first source electrode S1, a current flows from the second source electrode S2 to the first source electrode S1.
  • the bidirectional switch element 1 functions as a diode when the first gate electrode G1 is on and the second gate electrode G2 is off (in the third operation mode). More specifically, in the third operation mode, when the first source electrode S1 has a higher potential than the second source electrode S2, the current flowing from the first source electrode S1 to the second source electrode S2 is cut off. When the second source electrode S2 is at a higher potential than the first source electrode S1 by a second threshold voltage or higher, a current flows from the second source electrode S2 to the first source electrode S1.
  • the bidirectional switch element 1 functions as a diode when the first gate electrode G1 is off and the second gate electrode G2 is on (fourth operation mode). More specifically, in the fourth operation mode, when the second source electrode S2 has a higher potential than the first source electrode S1, the current flowing from the second source electrode S2 to the first source electrode S1 is cut off. When the first source electrode S1 is higher than the second source electrode S2 by a first threshold voltage or higher and has a higher potential, a current flows from the first source electrode S1 to the second source electrode S2.
  • the first threshold voltage and the second threshold voltage have the same value, but may have different values.
  • the bidirectional switch element 1 further includes a second AlGaN layer 5 and a third AlGaN layer 4.
  • the second AlGaN layer 5 is located between the substrate 2 and the GaN layer 6, and forms a second hetero junction HJ2 together with the GaN layer 6.
  • Third AlGaN layer 4 is located between substrate 2 and second AlGaN layer 5.
  • the bidirectional switch element 1 further includes a buffer layer 3 located between the substrate 2 and the third AlGaN layer 4. Therefore, the bidirectional switch element 1 includes the buffer layer 3, the third AlGaN layer 4, the second AlGaN layer 5, the GaN layer 6, the first AlGaN layer 7, the first p-type AlGaN layer 81, and the second The stacked body 10 includes the p-type AlGaN layer 82.
  • the outer shape of the bidirectional switch element 1 in a plan view from the thickness direction of the bidirectional switch element 1 is, for example, a square shape.
  • the outer peripheral shape of the bidirectional switch element 1 is not limited to a square shape, but may be, for example, a rectangular shape.
  • the substrate 2 is a silicon substrate. Therefore, the substrate 2 is a kind of a conductive substrate.
  • the substrate 2 has a first main surface 21 and a second main surface 22.
  • the first main surface 21 and the second main surface 22 of the substrate 2 are orthogonal to the thickness direction of the substrate 2.
  • the term “orthogonal” is not limited to the case of strictly orthogonal, but is substantially orthogonal (the angle between the thickness direction and the first main surface 21 or the second main surface 22 is, for example, 90 ° ⁇ 5 °). May be.
  • the second main surface 22 is located on the opposite side of the first main surface 21 in the thickness direction of the substrate 2.
  • the multilayer body 10 is formed on the first main surface 21 of the substrate 2.
  • the first main surface 21 of the substrate 2 is, for example, a (111) plane.
  • the first main surface 21 of the substrate 2 may be, for example, a crystal plane having an off angle (hereinafter, referred to as “first off angle”) from the (111) plane that is greater than 0 ° and 5 ° or less.
  • first off angle is the inclination angle of the first main surface 21 with respect to the (111) plane. Therefore, if the off angle is 0 °, the first main surface 21 is a (111) plane.
  • the (111) plane is a crystal plane represented by a Miller index (Miller Index) in which three indices are put in parentheses.
  • the thickness of the substrate 2 is, for example, not less than 100 ⁇ m and not more than 1000 ⁇ m.
  • the stacked body 10 includes the buffer layer 3, the third AlGaN layer 4, the second AlGaN layer 5, the GaN layer 6, and the first AlGaN layer 7, as described above.
  • the buffer layer 3, the third AlGaN layer 4, the second AlGaN layer 5, the GaN layer 6, and the first AlGaN layer 7 are arranged in this order from the substrate 2 side.
  • the buffer layer 3 is formed directly on the substrate 2.
  • the third AlGaN layer 4 is formed directly on the buffer layer 3.
  • the second AlGaN layer 5 is formed directly on the third AlGaN layer 4.
  • the GaN layer 6 is formed directly on the second AlGaN layer 5.
  • the first AlGaN layer 7 is formed directly on the GaN layer 6.
  • the stacked body 10 includes a first p-type AlGaN layer 81 and a second p-type AlGaN layer 82 formed directly on the first AlGaN layer 7.
  • the multilayer body 10 is an epitaxial growth layer grown on the substrate 2 by, for example, MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy).
  • MOVPE Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
  • TMAl trimethyl aluminum
  • TMGa trimethylgallium
  • NH 3 NH 3
  • Cp 2 Mg Biscyclopentadienyl magnesium
  • H 2 gas is preferably used as the carrier gas for each source gas.
  • Each source gas is not particularly limited.
  • triethyl gallium (TEGa) may be used as a source gas for Ga
  • a hydrazine derivative may be used as a source gas for N.
  • the buffer layer 3 is, for example, an undoped GaN layer.
  • the buffer layer 3 is formed of the third AlGaN layer 4, the second AlGaN layer 5, the GaN layer 6, the first AlGaN layer 7, the first p-type AlGaN layer 81, and the crystallinity of the second p-type AlGaN layer 82. It is a layer provided for the purpose of improving.
  • Buffer layer 3 is formed directly on first main surface 21 of substrate 2.
  • the undoped GaN layer constituting the buffer layer 3 may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O which are inevitably mixed during the growth.
  • the thickness of the buffer layer 3 is, for example, 100 nm or more and 3000 nm or less.
  • GaN layer 6 is an undoped GaN layer.
  • the undoped GaN layer constituting the GaN layer 6 may contain impurities such as Mg, H, Si, C and O which are inevitably mixed during the growth.
  • the thickness of the GaN layer 6 is, for example, not less than 100 nm and not more than 700 nm.
  • the first AlGaN layer 7 is an undoped AlGaN layer. As described above, the first AlGaN layer 7 and the GaN layer 6 constitute the first hetero junction HJ1. In the GaN layer 6, a two-dimensional electron gas is generated near the first hetero junction HJ1.
  • the undoped AlGaN layer that forms the first AlGaN layer 7 may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O that are inevitably mixed during the growth.
  • the composition ratio of Al in the undoped AlGaN layer forming the first AlGaN layer 7 is, for example, 0.20. In this specification, the Al composition ratio is the value of x when the AlGaN layer is represented by an Al x Ga 1-xN layer.
  • the first AlGaN layer 7 is an undoped Al 0.20 Ga 0.80 N layer.
  • the composition ratio is, for example, a value obtained by a composition analysis using EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). In discussing the relative magnitude relationship between the composition ratios, the composition ratio is not limited to EDX, and may be a value obtained by, for example, a composition analysis by Auger Electron Spectroscopy or a SIMS.
  • the thickness of the first AlGaN layer 7 is, for example, not less than 10 nm and not more than 100 nm.
  • the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 cover only a part of the surface 71 of the first AlGaN layer 7. Therefore, the surface 71 of the first AlGaN layer 7 has a region covered by the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 and a region covered by the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82. and a region not covered by the p-type AlGaN layer 82.
  • the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 are apart from each other.
  • the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 are doped with Mg during their growth, and contain Mg.
  • the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 are formed by forming a p-type AlGaN layer based on the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 by MOVPE. After being grown on one AlGaN layer 7, it is formed by patterning a p-type AlGaN layer using a photolithography technique and an etching technique.
  • ⁇ Al composition ratio of the first p-type AlGaN layer 81 and Al composition ratio of the second p-type AlGaN layer 82 are the same.
  • the Al composition ratio of the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 is the same as the Al composition ratio of the first AlGaN layer 7 (for example, 0.20). May be different from the Al composition ratio of the AlGaN layer 7.
  • the thickness of the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82 is, for example, not less than 50 nm and not more than 300 nm.
  • the first source electrode S1 and the second source electrode S2 are formed in a region of the surface 71 of the first AlGaN layer 7 that is not covered by the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82. Have been.
  • the first source electrode S1 and the second source electrode S2 are separated from each other.
  • the first source electrode S1 and the second source electrode S2 are electrically connected to the first hetero junction HJ1.
  • “electrically connected” means that they are in ohmic contact.
  • Each of the first source electrode S1 and the second source electrode S2 contains, for example, Ti and Al.
  • the first gate electrode G1 is formed on the first AlGaN layer 7 via the first p-type AlGaN layer 81. Further, the second gate electrode G2 is formed on the first AlGaN layer 7 via the second p-type AlGaN layer 82. The distance between the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 is longer than the distance between the first p-type AlGaN layer 81 and the second p-type AlGaN layer 82. Each of the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 is separated from the corresponding first source electrode S1 and the corresponding second source electrode S2 in a direction along the surface 71 of the first AlGaN layer 7. ing.
  • the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 are in ohmic contact with, for example, a first p-type AlGaN layer 81 and a second p-type AlGaN layer 82, respectively.
  • Each of the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 includes, for example, Pd and Au.
  • the second AlGaN layer 5 constitutes the second heterojunction HJ2 together with the GaN layer 6.
  • the second AlGaN layer 5 is located on the side opposite to the first AlGaN layer 7 side in the thickness direction of the GaN layer 6.
  • the second AlGaN layer 5 faces the first AlGaN layer 7 with the GaN layer 6 interposed therebetween. Therefore, the bidirectional switch element 1 has a double hetero structure including the first AlGaN layer 7, the GaN layer 6, and the second AlGaN layer 5.
  • the band gap of each of the first AlGaN layer 7 and the second AlGaN layer 5 is larger than the band gap of the GaN layer 6.
  • the second AlGaN layer 5 is an undoped AlGaN layer.
  • the undoped AlGaN layer that forms the second AlGaN layer 5 may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O that are inevitably mixed during the growth.
  • the Al composition ratio of the second AlGaN layer 5, in other words, the Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N layer corresponding to the second AlGaN layer 5 is, for example, 0.02. That is, the second AlGaN layer 5 is an undoped Al 0.02 Ga 0.98 N layer.
  • the concentration of C in the Al y Ga 1-y N layer constituting the second AlGaN layer 5 was, for example, 7 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , but is not limited to this value.
  • the concentration of C in the Al y Ga 1-y N layer is preferably, for example, 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the concentration of C is a value measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy).
  • the thickness of the second AlGaN layer 5 is, for example, 100 nm or more and 500 ⁇ m or less.
  • Third AlGaN layer 4 is located between substrate 2 and second AlGaN layer 5.
  • the Al composition ratio of the third AlGaN layer 4 in other words, the Al composition ratio w of the Al w Ga 1 -wN layer corresponding to the third AlGaN layer 4 is the Al composition ratio of the second AlGaN layer 5. It is preferably the same as the ratio (Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N layer corresponding to the second AlGaN layer 5), for example, 0.02. That is, the third AlGaN layer 4 is an Al 0.02 Ga 0.98 N layer.
  • the third AlGaN layer 4 has a higher C concentration than the second AlGaN layer 5.
  • the concentration of C in the third AlGaN layer 4 is, for example, not less than 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and not more than 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the third AlGaN layer 4 is intentionally doped with C during its growth. More specifically, by setting the growth conditions of the third AlGaN layer 4 such that the growth rate of the third AlGaN layer 4 is faster than the growth rate of the second AlGaN layer 5, 4 is higher than the C concentration of the second AlGaN layer 5.
  • the third AlGaN layer 4 has higher electrical insulation than the second AlGaN layer 5, and functions as an electrical insulation layer. Thereby, it is possible to suppress a current from flowing in the thickness direction of the GaN layer 6.
  • the growth condition of the third AlGaN layer 4 and the growth condition of the second AlGaN layer 5 may be set as appropriate, for example, the substrate temperature, the V / III ratio, the supply amount of each source gas, the growth pressure, and the like.
  • the “substrate temperature” for example, the temperature of a susceptor that supports a wafer on which the substrate 2 is based can be substituted.
  • the temperature of the susceptor measured by a thermocouple can be used as the substrate temperature.
  • the “V / III ratio” is the ratio of the molar supply amount [ ⁇ mol / min] of the group V element source gas to the molar supply amount [ ⁇ mol / min] of the group III element source gas.
  • the “growth pressure” is a pressure in the reaction furnace in a state where each raw material gas and each carrier gas are supplied into the reaction furnace of the MOVPE apparatus.
  • the thickness of the third AlGaN layer 4 is larger than the thickness of the second AlGaN layer 5. Thereby, the withstand voltage of the bidirectional switch element 1 can be further increased.
  • the thickness of the third AlGaN layer 4 is, for example, not less than 600 nm and not more than 3000 nm.
  • the inventors of the present application evaluate the time change of the on-resistance (Ron) when the bidirectional switch element 1 is turned on with the substrate 2 electrically floating in the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment. did.
  • the substrate 2 is in an electrically floating state means that the substrate 2 is connected to any of the first source electrode S1, the second source electrode S2, the first gate electrode G1, and the second gate electrode G2. Means electrically insulated.
  • the inventors of the present application also turned on the bidirectional switch element according to the comparative example of the comparative example of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment with the substrate floating. Was evaluated with respect to the time change of the on-resistance.
  • the bidirectional switch element according to the comparative example does not include the second AlGaN layer 5 of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment.
  • the bidirectional switch element according to the comparative example has a total thickness of the thickness of the GaN layer 6 and the thickness of the second AlGaN layer 5 instead of the GaN layer 6 of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment.
  • the first GaN layer is an undoped GaN layer. That is, the bidirectional switch element according to the comparative example employs a single heterostructure instead of the double heterostructure of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment.
  • the on-resistance-time characteristics when the current value of the current flowing through the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment and the bidirectional switch element according to the comparative example was 10 A were evaluated.
  • the voltage of the DC power supply connected between both ends (between the first source electrode S1 and the second source electrode S2) of each of the bidirectional switch element 1 and the bidirectional switch of the comparative example is set to Vdd, and the on-resistance is set. Is a value obtained by calculation of Vdd / 10 according to Ohm's law. Note that, for the bidirectional switch element 1, the actual measured value of the on-resistance before the switch operation is performed when no current collapse occurs is 30 m ⁇ .
  • 2A and 2B show the ratio of the on-resistance of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment and the bidirectional switch element of the comparative example when the on-resistance when no current collapse occurs is 1 (in other words, The relationship between Vdd and the standardized ON resistance) is shown.
  • 2A and 2B show the relationship between the on-resistance ratio and Vdd when the substrate 2 is in an electrically floating state.
  • the bidirectional switch element 1 includes a substrate 2, a GaN layer 6, a first AlGaN layer 7, a first source electrode S1, a first gate electrode G1, and a second gate electrode.
  • G2 a second source electrode S2, a first p-type AlGaN layer 81, a second p-type AlGaN layer 82, a second AlGaN layer 5, and a third AlGaN layer 4.
  • the GaN layer 6 is formed on the substrate 2.
  • the first AlGaN layer 7 is formed on the GaN layer 6.
  • the first source electrode S1, the first gate electrode G1, the second gate electrode G2, and the second source electrode S2 are formed on the first AlGaN layer 7.
  • the first p-type AlGaN layer 81 is interposed between the first gate electrode G1 and the first AlGaN layer 7.
  • the second p-type AlGaN layer 82 is interposed between the second gate electrode G2 and the first AlGaN layer 7.
  • the second AlGaN layer 5 is interposed between the substrate 2 and the GaN layer 6.
  • the third AlGaN layer 4 is interposed between the substrate 2 and the second AlGaN layer 5, and has a higher C concentration than the second AlGaN layer 5.
  • the provision of the second AlGaN layer 5 and the third AlGaN layer 4 makes it possible to suppress current collapse.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a bidirectional switch element 1a according to a modification of the first embodiment.
  • the same components as those of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the bidirectional switch element 1a according to the modified example includes a third AlGaN layer 4a and a second AlGaN layer instead of the third AlGaN layer 4 and the second AlGaN layer 5 of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment. It has a layer 5a.
  • the third AlGaN layer 4a is an undoped AlGaN layer.
  • the Al composition ratio of the third AlGaN layer 4a is 0.05. That is, the third AlGaN layer 4a is an undoped Al 0.05 Ga 0.95 N layer.
  • the Al composition ratio of the third AlGaN layer 4a is the same as the Al composition ratio of the third AlGaN layer 4a, and is 0.05.
  • the second AlGaN layer 5a is located between the substrate 2 and the GaN layer 6, and forms a second heterojunction HJ2 together with the GaN layer 6.
  • the third AlGaN layer 4a is located between the substrate 2 and the second AlGaN layer 5a, and has a higher C concentration than the second AlGaN layer 5a.
  • the concentration of C in the undoped AlGaN layer forming the second AlGaN layer 5a is, for example, 7 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the concentration of C in the third AlGaN layer 4a is, for example, not less than 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and not more than 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the third AlGaN layer 4a are an Al z Ga 1-z N layer (here, 0 ⁇ z ⁇ 1), an Al b Ga 1-b N layer (here, 0 ⁇ b ⁇ 1), and p type Al x1 Ga 1-x1 N layer (where, 0 ⁇ x1 ⁇ 1), p -type Al x2 Ga 1-x2 N layer (where, 0 ⁇ x2 ⁇ 1), Al y Ga 1-y N layer (
  • the bidirectional switch element 1a according to the modified example can suppress the occurrence of current collapse similarly to the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment.
  • the off-leak current becomes larger than that in the bidirectional switch element according to the comparative example.
  • the off-leak current can be reduced as compared with the bidirectional switch element according to the modification.
  • the off-leak current is a current flowing from the second source electrode S2 to the first source electrode S1 when the first gate electrode G1 is off and the second gate electrode G2 is off.
  • FIG. 4 shows V S2S1 when the second source electrode S2 is at a higher potential than the first source electrode S1 and the voltage between the second source electrode S2 and the first source electrode S1 is V S2S1. And the relationship between the leakage current (off-leak current).
  • DH in FIG. 4 is measurement data of an example of the bidirectional switch element 1 of Embodiment 1 having the above-described double heterostructure
  • SH in FIG. 4 is a bidirectional switch of the comparative example having the above-described single heterostructure. It is measurement data of an example of an element.
  • FIG. 4 shows that when V S2S1 is 400 V or less, the leakage current of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment is smaller than the leakage current of the bidirectional switch of the comparative example.
  • the Al composition ratio of the second AlGaN layer 5 is less than 0.05. Therefore, the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment can suppress the off-leak current.
  • the same components as those of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the bidirectional switch device 1b according to the second embodiment includes a third AlGaN layer 4b and a second AlGaN layer 4b instead of the third AlGaN layer 4 and the second AlGaN layer 5 of the bidirectional switch device 1 according to the first embodiment.
  • An AlGaN layer 5b is provided.
  • the GaN layer 6, the first AlGaN layer 7, the first p-type AlGaN layer 81, the second p-type AlGaN layer 82, the second AlGaN layer 5b, and the third the AlGaN layer 4b respectively, Al z Ga 1-z N layer (where, 0 ⁇ z ⁇ 1), Al b Ga 1-b N layer (where, 0 ⁇ b ⁇ 1), p -type Al x1 Ga 1-x1 N layer (where, 0 ⁇ x1 ⁇ 1), p -type Al x2 Ga 1-x2 N layer (where, 0 ⁇ x2 ⁇ 1), Al y Ga 1-y N layer (here, It is an example of 0 ⁇ y ⁇ 1 and z ⁇ y ⁇ b) and an Al w Ga 1-w N layer (here, 0 ⁇ w ⁇ 1 and z ⁇ w ⁇ b).
  • the Al composition ratio of the third AlGaN layer 4b is, for example, 0.05. That is, the third AlGaN layer 4b is an Al 0.05 Ga 0.95 N layer.
  • the third AlGaN layer 4b has a higher C concentration than the second AlGaN layer 5b.
  • C concentration of the third AlGaN layer 4b is, for example, 1 ⁇ 10 19 cm -3 or more 1 ⁇ 10 19 cm -3 or less.
  • the Al composition ratio of the second AlGaN layer 5b is smaller than the Al composition ratio of the third AlGaN layer 4b.
  • the composition ratio of Al decreases as the distance from the third AlGaN layer 4b increases in the thickness direction of the second AlGaN layer 5b.
  • the band gap energy of the second AlGaN layer 5b decreases as the distance from the third AlGaN layer 4b increases, and the difference in band gap energy from the GaN layer 6 decreases as the distance from the GaN layer 6 increases.
  • the second AlGaN layer 5b is, for example, a laminated film of three or more AlGaN layers having different Al composition ratios from each other.
  • the second AlGaN layer 5b is a laminated film of ten AlGaN layers having different Al composition ratios from each other.
  • the thickness of each of the ten AlGaN layers is one tenth of the thickness of the second AlGaN layer 5b.
  • the composition ratio of Al increases by 0.005 as the distance from the GaN layer 6 increases in the thickness direction of the second AlGaN layer 5b.
  • the ten AlGaN layers include the Al 0.005 Ga 0.995 N layer, the Al 0.01 Ga 0.99 N layer, and the Al 0.05 Ga layer from the GaN layer 6 side in the thickness direction of the second AlGaN layer 5 b .
  • the bidirectional switch element 1b according to the second embodiment can suppress the occurrence of current collapse, similarly to the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 shows a relationship between V S2S1 and a leak current (off-leak current).
  • Al graded in FIG. 6 is measurement data of an example of the bidirectional switch element 1b according to the second embodiment
  • SH in FIG. 6 is measurement of an example of the bidirectional switch element of the comparative example having the single heterostructure described above. Data.
  • FIG. 6 shows that when V S2S1 is 250 V or less, the leak current of the bidirectional switch element 1b according to the second embodiment is smaller than the off-leak current of the bidirectional switch of the comparative example.
  • the same components as those of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment (see FIG. 1) are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the bidirectional switch element 1c according to the third embodiment includes a buffer layer instead of the buffer layer 3, the third AlGaN layer 4, the second AlGaN layer 5, and the GaN layer 6 of the bidirectional switch element 1 according to the first embodiment. 3C, a third AlGaN layer 4c, a second AlGaN layer 5c, and a fourth AlGaN layer 61.
  • the third AlGaN layer 4c are an Al z Ga 1-z N layer (here, 0 ⁇ z ⁇ 1), an Al b Ga 1-b N layer (here, 0 ⁇ b ⁇ 1), p type Al x1 Ga 1-x1 N layer (where, 0 ⁇ x1 ⁇ 1), p -type Al x2 Ga 1-x2 N layer (where, 0 ⁇ x2 ⁇ 1), Al y Ga 1-y N layer (
  • the fourth AlGaN layer 61 is an undoped AlGaN layer.
  • the undoped AlGaN layer constituting the fourth AlGaN layer 61 may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O which are inevitably mixed during the growth.
  • the thickness of the fourth AlGaN layer 61 is, for example, not less than 100 nm and not more than 700 nm.
  • the Al composition ratio z of the Al z Ga 1 -zN layer corresponding to the fourth AlGaN layer 61 is smaller than the Al composition ratio b of the Al b Ga 1 -bN layer constituted by the first AlGaN layer 7. And smaller than the Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N layer corresponding to the second AlGaN layer 5c.
  • the first AlGaN layer 7 and the fourth AlGaN layer 61 constitute a first heterojunction HJ1c.
  • a two-dimensional electron gas is generated near the first hetero junction HJ1c.
  • the Al composition ratio of the undoped AlGaN layer forming the first AlGaN layer 7 is, for example, 0.17.
  • the second AlGaN layer 5c is located on the side opposite to the first AlGaN layer 7 side in the thickness direction of the fourth AlGaN layer 61.
  • the second AlGaN layer 5c faces the first AlGaN layer 7 with the fourth AlGaN layer 61 interposed therebetween. Therefore, the bidirectional switch element 1c has a double hetero structure including the first AlGaN layer 7, the fourth AlGaN layer 61, and the second AlGaN layer 5c.
  • the band gap of each of the first AlGaN layer 7 and the second AlGaN layer 5c is larger than the band gap of the fourth AlGaN layer 61.
  • the second AlGaN layer 5c is an undoped AlGaN layer.
  • the undoped AlGaN layer constituting the second AlGaN layer 5c may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O which are inevitably mixed during the growth.
  • the Al composition ratio of the second AlGaN layer 5c in other words, the Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N layer corresponding to the second AlGaN layer 5c is, for example, 0.02. That is, the second AlGaN layer 5c is an undoped Al 0.02 Ga 0.98 N layer.
  • the concentration of C in the Al y Ga 1-y N layer corresponding to the second AlGaN layer 5c was, for example, 7 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , but is not limited to this value.
  • the concentration of C in the Al y Ga 1-y N layer is preferably, for example, 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the thickness of the second AlGaN layer 5c is, for example, not less than 100 nm and not more than 500 ⁇ m.
  • the third AlGaN layer 4c is located between the substrate 2 and the second AlGaN layer 5c.
  • the Al composition ratio of the third AlGaN layer 4c in other words, the Al composition ratio w of the Al w Ga 1-w N layer constituted by the third AlGaN layer 4c corresponds to the second AlGaN layer 5c.
  • the Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N layer is preferably the same as, for example, 0.02. That is, the third AlGaN layer 4c is an Al 0.02 Ga 0.98 N layer.
  • the third AlGaN layer 4c has a higher C concentration than the second AlGaN layer 5c.
  • the concentration of C in the third AlGaN layer 4c is, for example, not less than 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and not more than 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the third AlGaN layer 4c is intentionally doped with C during its growth. More specifically, by setting the growth conditions of the third AlGaN layer 4c such that the growth rate of the third AlGaN layer 4c is higher than the growth rate of the second AlGaN layer 5c, The C concentration of 4c is higher than the C concentration of the second AlGaN layer 5c.
  • the third AlGaN layer 4c has higher electrical insulation than the second AlGaN layer 5c, and functions as an electrical insulation layer. Thereby, it is possible to suppress a current from flowing in the thickness direction of the fourth AlGaN layer 61.
  • the buffer layer 3c is a C-doped GaN layer.
  • the buffer layer 3c is intentionally doped with C during its growth.
  • the C concentration of the buffer layer 3c is higher than the C concentration of the buffer layer 3 composed of the undoped GaN layer.
  • the thickness of the buffer layer 3c is, for example, 100 nm or more and 3000 nm or less.
  • the composition ratio of Al y Ga 1-y N layer of Al corresponding to the second AlGaN layer 5c y is less than 0.05.
  • the bidirectional switch element 1c according to the third embodiment can suppress the off-leak current.
  • the Al composition ratio w of the Al w Ga 1-w N layer corresponding to the third AlGaN layer 4c is less than 0.05.
  • the bidirectional switch element 1c according to the third embodiment can suppress the off-leak current.
  • the Al y Ga 1-y N layer corresponding to the second AlGaN layer 5c has an Al composition ratio y of less than 0.03, and the third AlGaN layer
  • the Al composition ratio w of the Al w Ga 1-w N layer corresponding to 4c is preferably less than 0.03.
  • the first to third embodiments and the like are only one of various embodiments of the present disclosure. Various changes can be made to the above-described Embodiments 1 to 3 according to the design and the like as long as the object of the present disclosure can be achieved.
  • the relationship between the thicknesses of the three or more AlGaN layers in the second AlGaN layer 5b is not particularly limited.
  • the thickness of the three or more AlGaN layers is not limited to the same thickness, and may be different from each other.
  • the second AlGaN layer 5b is not limited to the case where the Al composition ratio changes stepwise, but may change continuously.
  • the substrate 2 is not limited to a silicon substrate, but may be, for example, a GaN substrate, a SiC substrate, a sapphire substrate, or the like.
  • a first p-type GaN layer is provided instead of the first p-type AlGaN layer 81, and a second p-type AlGaN layer 82 is provided. May be provided instead of the second p-type GaN layer.
  • a first gate layer made of a p-type metal oxide semiconductor layer is used instead of the first p-type AlGaN layer 81.
  • a second gate layer made of a p-type metal oxide semiconductor layer may be provided instead of the second p-type AlGaN layer.
  • Each of the p-type metal oxide semiconductor layers of the first gate layer and the second gate layer is, for example, a NiO layer.
  • the NiO layer may contain, for example, at least one alkali metal selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, rubidium, and cesium as an impurity.
  • the NiO layer may contain, for example, a transition metal such as silver or copper which becomes monovalent when added as an impurity.
  • a voltage is not applied between the first gate electrode G1 and the first source electrode S1
  • the first gate layer has a first AlGaN layer 7 and a GaN layer 6 immediately below the first gate layer. Then, a depletion layer is formed.
  • the second gate layer has a first AlGaN layer 7 and a GaN layer 6 directly below the second gate layer. Then, a depletion layer is formed.
  • an InAlGaN layer may be provided instead of the second AlGaN layer 5.
  • the InAlGaN layer may be constituted by an undoped In 0.05 Al 0.10 Ga 0.85 N layer.
  • an InAlGaN layer instead of the third AlGaN layer 4, an InAlGaN layer may be provided.
  • InAlGaN layer in place of the third AlGaN layer 4 may be constituted by the second AlGaN layer 5 higher In 0.05 Al 0.10 Ga 0.85 N layer having a concentration of C than InAlGaN layer in place of.
  • the bidirectional switch element (1; 1a; 1b; 1c) includes a substrate (2), an Al z Ga 1-z N layer (here, 0 ⁇ z ⁇ 1), and an Al b Ga 1-b N layer (where 0 ⁇ b ⁇ 1), a first source electrode (S1), a first gate electrode (G1), a second gate electrode (G2), and a second A source electrode (S2), a p-type Al x1 Ga 1-x1 N layer (here, 0 ⁇ x1 ⁇ 1), a p-type Al x2 Ga 1-x2 N layer (here, 0 ⁇ x2 ⁇ 1) , Al y Ga 1-y N layer (where 0 ⁇ y ⁇ 1 and z ⁇ y ⁇ b), and Al w Ga 1-w N layer (where 0 ⁇ w ⁇ 1 and z ⁇ W ⁇ b).
  • the Al z Ga 1 -zN layer (GaN layer 6; fourth AlGaN layer 61) is formed on the substrate (2).
  • the Al b Ga 1-b N layer (first AlGaN layer 7) is formed on the Al z Ga 1-z N layer (GaN layer 6; fourth AlGaN layer 61).
  • the first source electrode (S1), the first gate electrode (G1), the second gate electrode (G2), and the second source electrode (S2) are formed of an Al b Ga 1-b N layer (first On the AlGaN layer 7).
  • the p-type Al x1 Ga 1-x1 N layer (first p-type AlGaN layer 81) is provided between the first gate electrode (G1) and the Al b Ga 1-b N layer (first AlGaN layer 7). Intervenes.
  • the p-type Al x2 Ga 1-x2 N layer (second p-type AlGaN layer 82) is provided between the second gate electrode (G2) and the Al b Ga 1-b N layer (first AlGaN layer 7). Intervenes.
  • the Al y Ga 1-y N layer (the second AlGaN layer 5; 5a; 5b; 5c) includes the substrate (2) and the Al z Ga 1-z N layer (the GaN layer 6; the fourth AlGaN layer 61). Intervening between.
  • the Al w Ga 1-w N layer (third AlGaN layer 4; 4a; 4b; 4c) is composed of the substrate (2) and the Al y Ga 1-y N layer (second AlGaN layer 5; 5a; 5b; 5c). ), And has a higher C concentration than the Al y Ga 1-y N layer (second AlGaN layer 5; 5a; 5b; 5c).
  • the Al composition ratio (y) of the Al y Ga 1-y N layer (second AlGaN layer 5; 5c) is different from that of the first aspect. It is less than 0.05.
  • the off-leak current can be suppressed.
  • the Al composition ratio (y) of the Al y Ga 1-y N layer (second AlGaN layer 5b) is Al It is smaller than the Al composition ratio (w) of the w Ga 1-w N layer (third AlGaN layer 4b).
  • the Al y Ga 1-y N layer (second AlGaN layer 5b) in the thickness direction of the Al y Ga 1-y N layer (second AlGaN layer 5b), the Al w Ga 1-w N layer (third As the distance from the AlGaN layer 4b) increases, the Al composition ratio (y) decreases.
  • the off-leak current can be suppressed.
  • the Al y Ga 1-y N layer (the second AlGaN layer 5b) has a composition of Al It is a laminated film of three or more AlGaN layers having different ratios.
  • the Al composition ratio (w) of the Al w Ga 1-w N layer (third AlGaN layer 4c) is less than 0.05. It is.
  • Al y Ga 1-y N layer below the Al composition ratio of the (second AlGaN layer 5c) (y) is 0.03
  • Al composition ratio (w) of the Al w Ga 1-w N layer (third AlGaN layer 4c) is less than 0.03.
  • a bidirectional switch element (1; 1a; 1b; 1c) according to a seventh aspect is the bidirectional switch element according to any one of the first to sixth aspects, wherein the substrate (2) comprises the first source electrode (S1) and the second source electrode (S1). Is used in a state in which it is electrically insulated from any of the source electrode (S2), the first gate electrode (G1), and the second gate electrode (G2).
  • bidirectional switch element (1; 1a; 1b; 1c) it is possible to suppress current collapse without using the substrate (2) in a grounded state.
  • the thickness of the third AlGaN layer (4; 4a; 4b; 4c) is increased in any one of the first to seventh aspects. Is thicker than the thickness of the second AlGaN layer (5; 5a; 5b; 5c).
  • the withstand voltage can be improved.

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本開示の課題は、電流コラプスを抑制することである。双方向スイッチ素子（１）は、基板（２）、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ＧａＮ層６）、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（第１のＡｌＧａＮ層７）、第１のソース電極（Ｓ１）、第１のゲート電極（Ｇ１）、第２のゲート電極（Ｇ２）、第２のソース電極（Ｓ２）、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１）、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２）、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５）、及びＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（第３のＡｌＧａＮ層４）を備える。ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層は、基板（２）上に形成されている。ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層は、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層上に形成されている。ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層は、基板（２）とＡｌｚＧａ１－ｚＮ層との間に介在している。ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層は、基板（２）とＡｌｙＧａ１－ｙＮ層との間に介在し、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層よりもＣの濃度が高い。

Description

双方向スイッチ素子
　本開示は、一般に双方向スイッチ素子に関し、より詳細には２つのゲート電極を備える双方向スイッチ素子に関する。
　従来、ダブルゲート（デュアルゲート）の半導体素子である双方向スイッチ素子が提案されている（特許文献１）。
　特許文献１に記載された双方向スイッチ素子は、シリコンからなる導電性の基板上にＡｌＮからなるバッファ層を介在させて、半導体層積層体が形成されている。半導体層積層体は、アンドープのＧａＮからなる第１の層（ＧａＮ層）と、アンドープのＡｌＧａＮからなる第２の層（第１のＡｌＧａＮ層）とが下側から順次積層されている。
　第１の層の第２の層とのヘテロ界面近傍には、２次元電子ガス層であるチャネル領域が生成されている。
　半導体層積層体の上には、互いに間隔をおいて第１のオーミック電極（第１のソース電極）及び第２のオーミック電極（第２のソース電極）が形成されている。半導体層積層体の上における第１のオーミック電極と第２のオーミック電極との間の領域に、第１のオーミック電極側から順に、第１のｐ型窒化物半導体層を介在させて形成された第１のゲート電極と、第２のｐ型窒化物半導体層を介在させて形成された第２のゲート電極と、が並んでいる。
　特許文献１に記載の双方向スイッチ素子では、例えば基板を電気的にフローティングにした状態で使用された場合に、スイッチング時のオン抵抗が増加する電流コラプスが発生することがあった。電流コラプスは、高電圧印加時にチャネル近傍（結晶、界面等）に電子が捕獲され、オン抵抗が増大する現象である。
特開２０１１－２０４９９３号公報
　本開示の目的は、電流コラプスを抑制することが可能な双方向スイッチ素子を提供することにある。
　本開示に係る一態様の双方向スイッチ素子は、基板と、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ここで、０≦ｚ＜１）と、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ここで、０＜ｂ＜１）と、第１のソース電極と、第１のゲート電極と、第２のゲート電極と、第２のソース電極と、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（ここで、０≦ｘ１≦１）と、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（ここで、０≦ｘ２≦１）と、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ここで、０＜ｙ＜１、かつ、ｚ＜ｙ＜ｂ）と、ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（ここで、０＜ｗ＜１、かつ、ｚ＜ｗ＜ｂ）と、を備える。前記ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層は、前記基板上に形成されている。前記ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層は、前記ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層上に形成されている。前記第１のソース電極、前記１のゲート電極、前記第２のゲート電極、及び、前記第２のソース電極は、前記ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層上に形成されている。前記ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層は、前記第１のゲート電極と前記ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層との間に介在している。前記ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層は、前記第２のゲート電極と前記ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層との間に介在している。前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層は、前記基板と前記ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層との間に介在している。前記ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層は、前記基板と前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層との間に介在している。前記ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層のＣの濃度は、前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＣの濃度よりも高い。
図１は、実施形態１に係る双方向スイッチ素子の断面図である。 図２Ａは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子のオン抵抗比－電圧特性図である。図２Ｂは、比較例に係る双方向スイッチ素子のオン抵抗比－電圧特性図である。 図３は、実施形態１の変形例に係る双方向スイッチ素子の断面図である。 図４は、実施形態１に係る双方向スイッチ素子及び比較例に係る双方向スイッチ素子の電流－電圧特性図である。 図５は、実施形態２に係る双方向スイッチ素子の断面図である。 図６は、実施形態２に係る双方向スイッチ素子及び比較例に係る双方向スイッチ素子の電流－電圧特性図である。 図７は、実施形態３に係る双方向スイッチ素子の断面図である。
　下記の実施形態等において説明する図１、３、５及び７は、模式的な図であり、図１、３、５及び７中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。
　（実施形態１）
　以下では、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１について、図１に基づいて説明する。
　双方向スイッチ素子１は、例えば、交流－交流電力変換を行うマトリクスコンバータ等の電力変換装置に使用可能であるが、これに限らず、例えば、リレー、照明装置の調光用の交流スイッチ等にも使用可能である。双方向スイッチ素子１は、例えば、デュアルゲート型のＧａＮ系ＧＩＴ（Gate Injection Transistor）である。
　双方向スイッチ素子１は、基板２と、ＧａＮ層６と、第１のＡｌＧａＮ層７と、第１のソース電極Ｓ１と、第１のゲート電極Ｇ１と、第２のゲート電極Ｇ２と、第２のソース電極Ｓ２と、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１と、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２と、を備える。
　ＧａＮ層６は、基板２上に形成されている。第１のＡｌＧａＮ層７は、ＧａＮ層６上に形成されており、ＧａＮ層６と共に第１のヘテロ接合部ＨＪ１を構成する。ＧａＮ層６においては、第１ヘテロ接合部ＨＪ１の近傍に、２次元電子ガス（Two-Dimensional Electron Gas）が発生している。２次元電子ガスを含む領域（以下、「２次元電子ガス層」ともいう）は、ｎチャネル層（電子伝導層）として機能することが可能である。
　第１のソース電極Ｓ１は、第１のＡｌＧａＮ層７上に形成されている。第１のゲート電極Ｇ１は、第１のＡｌＧａＮ層７上に形成されている。第２のゲート電極Ｇ２は、第１のＡｌＧａＮ層７上における、第１のゲート電極Ｇ１から見て第１のソース電極Ｓ１とは反対側の位置に形成されている。第２のソース電極Ｓ２は、第１のＡｌＧａＮ層７上における、第２のゲート電極Ｇ２から見て第１のゲート電極Ｇ１とは反対側の位置に形成されている。ここにおいて、双方向スイッチ素子１では、第１のＡｌＧａＮ層７の表面７１に沿った一方向において、第１のソース電極Ｓ１、第１のゲート電極Ｇ１、第２のゲート電極Ｇ２及び第２のソース電極Ｓ２が、この順に並んでいる。第１のソース電極Ｓ１、第１のゲート電極Ｇ１、第２のゲート電極Ｇ２及び第２のソース電極Ｓ２は、上記一方向において互いに離れている。
　双方向スイッチ素子１は、ノーマリオフ型の双方向スイッチ素子であり、上述の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１と、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２と、を備えている。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１は、第１のゲート電極Ｇ１と第１のＡｌＧａＮ層７との間に介在している。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２は、第２のゲート電極Ｇ２と第１のＡｌＧａＮ層７との間に介在している。
　以下では、説明の便宜上、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間に第１の閾値電圧以上の電圧が印加されていない状態を、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態ともいう。また、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間に第１のゲート電極Ｇ１を高電位側として第１の閾値電圧以上の電圧が印加されている状態を、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態ともいう。また、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間に第２の閾値電圧以上の電圧が印加されていない状態を、第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態ともいう。また、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間に第２のゲート電極Ｇ２を高電位側として第２の閾値電圧以上の電圧が印加されている状態を、第２のゲート電極Ｇ２がオン状態ともいう。
　双方向スイッチ素子１は、上述の第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２を備えることにより、ノーマリオフ型のトランジスタを実現している。ここにおいて、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１は、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態のときに、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１直下において第１のＡｌＧａＮ層７とＧａＮ層６とに空乏層を形成する。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２は、第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態のときに、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２直下において第１のＡｌＧａＮ層７とＧａＮ層６とに空乏層を形成する。双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態のときには、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間を２次元電子ガスでつなげることができる（第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間で２次元電子ガスが空乏層により遮られなくなる）。また、双方向スイッチ素子１では、第２のゲート電極Ｇ２がオン状態のときには、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間を２次元電子ガスでつなげることができる（第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間で２次元電子ガスが空乏層により遮られなくなる）。
　双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態で、かつ第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態である場合（第１の動作モードの場合）、第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間において、いずれの方向にも電流を流すことができない。より詳細には、第１の動作モードの場合、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも高電位のときに第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ流れる電流が遮断され、かつ、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも高電位のときに第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ流れる電流が遮断される。
　双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態で、かつ第２のゲート電極Ｇ２がオン状態である場合（第２の動作モードの場合）、第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間において、双方向に電流を流すことができる。より詳細には、第２の動作モードの場合、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも高電位のときに第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ電流が流れ、かつ、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも高電位のときに第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ電流が流れる。
　双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態で、かつ第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態である場合（第３の動作モードの場合）、ダイオードとして機能する。より詳細には、第３の動作モードの場合、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも高電位のときには第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ流れる電流が遮断され、かつ、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも第２の閾値電圧以上、高電位のときには第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ電流が流れる。
　双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態で、かつ第２のゲート電極Ｇ２がオン状態である場合（第４の動作モードの場合）、ダイオードとして機能する。より詳細には、第４の動作モードの場合、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも高電位のときには第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ流れる電流が遮断され、かつ、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも第１の閾値電圧以上、高電位のときには第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ電流が流れる。
　なお、双方向スイッチ素子１では、第１の閾値電圧と第２の閾値電圧とが同じ値であるが、互いの異なる値であってもよい。
　ところで、双方向スイッチ素子１は、第２のＡｌＧａＮ層５と、第３のＡｌＧａＮ層４と、を更に備える。第２のＡｌＧａＮ層５は、基板２とＧａＮ層６との間に位置しており、ＧａＮ層６と共に第２のヘテロ接合部ＨＪ２を構成する。第３のＡｌＧａＮ層４は、基板２と第２のＡｌＧａＮ層５との間に位置している。
　双方向スイッチ素子１は、基板２と第３のＡｌＧａＮ層４との間に位置しているバッファ層３を更に備える。したがって、双方向スイッチ素子１は、バッファ層３と第３のＡｌＧａＮ層４と第２のＡｌＧａＮ層５とＧａＮ層６と第１のＡｌＧａＮ層７と第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２とを含む積層体１０を有している。
　双方向スイッチ素子１の厚さ方向からの平面視における双方向スイッチ素子１の外周形状は、例えば、正方形状である。双方向スイッチ素子１の外周形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等でもよい。
　以下、双方向スイッチ素子１の各構成要素について、より詳細に説明する。
　基板２は、シリコン基板である。したがって、基板２は、導電性基板の一種である。基板２は、第１主面２１及び第２主面２２を有する。基板２の第１主面２１及び第２主面２２は、基板２の厚さ方向に直交する。ここにおいて、「直交」とは、厳密に直交する場合のみに限定されず、略直交（厚さ方向と第１主面２１又は第２主面２２とのなす角度が例えば９０°±５°）でもよい。第２主面２２は、基板２の厚さ方向において第１主面２１の反対側に位置している。双方向スイッチ素子１では、積層体１０は、基板２の第１主面２１上に形成されている。基板２の第１主面２１は、例えば、（１１１）面である。基板２の第１主面２１は、例えば、（１１１）面からのオフ角（以下、「第１オフ角」という）が０°よりも大きく５°以下の結晶面でもよい。ここにおいて、「第１オフ角」とは、（１１１）面に対する第１主面２１の傾斜角である。したがって、オフ角が０°であれば、第１主面２１は、（１１１）面である。（１１１）面は、３つの指数を括弧のなかに入れて表記したミラー指数（Miller Index）による結晶面である。基板２の厚さは、例えば、１００μｍ以上１０００μｍ以下である。
　積層体１０は、上述のように、バッファ層３と、第３のＡｌＧａＮ層４と、第２のＡｌＧａＮ層５と、ＧａＮ層６と、第１のＡｌＧａＮ層７と、を含む。積層体１０では、バッファ層３、第３のＡｌＧａＮ層４、第２のＡｌＧａＮ層５、ＧａＮ層６及び第１のＡｌＧａＮ層７は、基板２側からこの順に並んでいる。バッファ層３は、基板２上に直接形成されている。第３のＡｌＧａＮ層４は、バッファ層３上に直接形成されている。第２のＡｌＧａＮ層５は、第３のＡｌＧａＮ層４上に直接形成されている。ＧａＮ層６は、第２のＡｌＧａＮ層５上に直接形成されている。第１のＡｌＧａＮ層７は、ＧａＮ層６上に直接形成されている。また、積層体１０は、第１のＡｌＧａＮ層７上に直接形成されている第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２を含んでいる。
　積層体１０は、基板２上に例えばＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）によって成長されたエピタキシャル成長層である。基板２上に積層体１０を成長させるエピタキシャル成長装置としてＭＯＶＰＥ装置を採用する場合、Ａｌの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を採用するのが好ましい。また、Ｇａの原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を採用するのが好ましい。Ｎの原料ガスとしては、ＮＨ3を採用するのが好ましい。ｐ型導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を採用するのが好ましい。各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、Ｈ2ガスを採用するのが好ましい。各原料ガスは、特に限定されず、例えば、Ｇａの原料ガスとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｎの原料ガスとしてヒドラジン誘導体を採用してもよい。
　バッファ層３は、例えば、アンドープのＧａＮ層である。バッファ層３は、第３のＡｌＧａＮ層４、第２のＡｌＧａＮ層５、ＧａＮ層６、第１のＡｌＧａＮ層７、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２の結晶性の向上を目的として設けた層である。バッファ層３は、基板２の第１主面２１上に直接形成されている。バッファ層３を構成するアンドープのＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。バッファ層３の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。
　ＧａＮ層６は、アンドープのＧａＮ層である。ＧａＮ層６を構成するアンドープのＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。ＧａＮ層６の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。
　第１のＡｌＧａＮ層７は、アンドープのＡｌＧａＮ層である。上述のように、第１のＡｌＧａＮ層７は、ＧａＮ層６と共に第１のヘテロ接合部ＨＪ１を構成する。ＧａＮ層６においては、第１ヘテロ接合部ＨＪ１の近傍に、２次元電子ガスが発生している。第１のＡｌＧａＮ層７を構成するアンドープのＡｌＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。第１のＡｌＧａＮ層７を構成するアンドープのＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比は、例えば、０．２０である。本明細書において、Ａｌの組成比とは、ＡｌＧａＮ層をＡｌｘＧａ１－ｘＮ層で表したときのｘの値である。つまり、第１のＡｌＧａＮ層７は、アンドープのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層である。組成比は、例えば、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）による組成分析で求めた値である。組成比の相対的な大小関係を議論する上では、組成比は、ＥＤＸに限らず、例えば、オージェ電子分光（Auger Electron Spectroscopy）による組成分析、ＳＩＭＳによる組成分析で求めた値でもよい。実施形態１に係る双方向スイッチ素子１では、ＧａＮ層６、第１のＡｌＧａＮ層７、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２、第２のＡｌＧａＮ層５及び第３のＡｌＧａＮ層４が、それぞれ、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ここで、０≦ｚ＜１）、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ここで、０＜ｂ＜１）、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（ここで、０≦ｘ１≦１）、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（ここで、０≦ｘ２≦１）、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ここで、０＜ｙ＜１、かつ、ｚ＜ｙ＜ｂ）及びＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（ここで、０＜ｗ＜１、かつ、ｚ＜ｗ＜ｂ）の一例である。
　第１のＡｌＧａＮ層７の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
　第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２は、第１のＡｌＧａＮ層７の表面７１の一部のみを覆っている。したがって、第１のＡｌＧａＮ層７の表面７１は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２に覆われている領域と、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２に覆われていない領域と、を含む。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２とは、互いに離れている。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２は、その成長時にＭｇがドーピングされており、Ｍｇを含有している。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２は、ＭＯＶＰＥ装置によって第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２との元になるｐ型ＡｌＧａＮ層を第１のＡｌＧａＮ層７上に成長させた後に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してｐ型ＡｌＧａＮ層をパターニングすることによって形成されている。
　第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１のＡｌの組成比と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２のＡｌの組成比とは同じである。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２のＡｌの組成比は、第１のＡｌＧａＮ層７のＡｌの組成比と同じ（例えば、０．２０）であるが、第１のＡｌＧａＮ層７のＡｌの組成比と異なっていてもよい。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
　第１のソース電極Ｓ１及び第２のソース電極Ｓ２は、第１のＡｌＧａＮ層７の表面７１において第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２に覆われていない領域に形成されている。第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とは、互いに離れている。第１のソース電極Ｓ１及び第２のソース電極Ｓ２は、第１ヘテロ接合部ＨＪ１と電気的に接続されている。ここにおいて、「電気的に接続されている」とはオーミック接触していることを意味する。第１のソース電極Ｓ１及び第２のソース電極Ｓ２の各々は、例えば、ＴｉとＡｌとを含んでいる。
　第１のゲート電極Ｇ１は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１を介して第１のＡｌＧａＮ層７上に形成されている。また、第２のゲート電極Ｇ２は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２を介して第１のＡｌＧａＮ層７上に形成されている。第１のゲート電極Ｇ１と第２のゲート電極Ｇ２との距離は、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２との距離よりも長い。第１のゲート電極Ｇ１及び第２のゲート電極Ｇ２の各々は、第１のＡｌＧａＮ層７の表面７１に沿った方向において、対応する第１のソース電極Ｓ１及び第２のソース電極Ｓ２それぞれから離れている。第１のゲート電極Ｇ１及び第２のゲート電極Ｇ２は、例えば、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１及び第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２にそれぞれオーミック接触している。第１のゲート電極Ｇ１及び第２のゲート電極Ｇ２の各々は、例えば、ＰｄとＡｕとを含んでいる。
　第２のＡｌＧａＮ層５は、上述のように、ＧａＮ層６と共に第２のヘテロ接合部ＨＪ２を構成する。第２のＡｌＧａＮ層５は、ＧａＮ層６の厚さ方向において、第１のＡｌＧａＮ層７側とは反対側に位置している。要するに、第２のＡｌＧａＮ層５は、ＧａＮ層６を挟んで第１のＡｌＧａＮ層７と対向している。したがって、双方向スイッチ素子１は、第１のＡｌＧａＮ層７とＧａＮ層６と第２のＡｌＧａＮ層５とを含むダブルヘテロ構造を有している。第１のＡｌＧａＮ層７及び第２のＡｌＧａＮ層５の各々のバンドギャップは、ＧａＮ層６のバンドギャップよりも大きい。
　第２のＡｌＧａＮ層５は、アンドープのＡｌＧａＮ層である。第２のＡｌＧａＮ層５を構成するアンドープのＡｌＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。第２のＡｌＧａＮ層５のＡｌの組成比、言い換えれば、第２のＡｌＧａＮ層５に対応するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙは、例えば、０．０２である。つまり、第２のＡｌＧａＮ層５は、アンドープのＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。第２のＡｌＧａＮ層５を構成するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＣの濃度は、一例として、７×１０１６ｃｍ－３であったが、この数値に限定されない。ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＣの濃度は、例えば、３×１０１７ｃｍ－３以下であるのが好ましい。Ｃの濃度は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）によって測定した値である。第２のＡｌＧａＮ層５の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
　第３のＡｌＧａＮ層４は、基板２と第２のＡｌＧａＮ層５との間に位置している。第３のＡｌＧａＮ層４のＡｌの組成比、言い換えれば、第３のＡｌＧａＮ層４に対応するＡｌｗＧａ１－ｗＮ層のＡｌの組成比ｗは、第２のＡｌＧａＮ層５のＡｌの組成比（第２のＡｌＧａＮ層５に対応するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙ）と同じであるのが好ましく、例えば、０．０２である。つまり、第３のＡｌＧａＮ層４は、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。第３のＡｌＧａＮ層４は、第２のＡｌＧａＮ層５よりもＣの濃度が高い。第３のＡｌＧａＮ層４のＣの濃度は、例えば、５×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下である。第３のＡｌＧａＮ層４は、その成長時に意図的にＣをドーピングしている。より詳細には、第３のＡｌＧａＮ層４の成長速度が第２のＡｌＧａＮ層５の成長速度よりも速くなるように第３のＡｌＧａＮ層４の成長条件を設定することにより、第３のＡｌＧａＮ層４のＣの濃度を第２のＡｌＧａＮ層５のＣの濃度よりも高くしている。ここにおいて、第３のＡｌＧａＮ層４は、第２のＡｌＧａＮ層５よりも電気絶縁性が高く、電気絶縁層として機能する。これにより、ＧａＮ層６の厚さ方向に電流が流れるのを抑制することができる。ここにおいて、第３のＡｌＧａＮ層４の成長条件及び第２のＡｌＧａＮ層５の成長条件は、例えば、基板温度、Ｖ／III比、各原料ガスの供給量、成長圧力等を適宜設定すればよい。「基板温度」は、例えば、基板２の元になるウェハを支持するサセプタ（susceptor）の温度を代用することができる。例えば、基板温度は、熱電対により測定したサセプタの温度を代用することができる。「Ｖ／III比」とは、III族元素の原料ガスのモル供給量［μmol/min］に対するＶ族元素の原料ガスのモル供給量［μmol/min］の比である。「成長圧力」とは、各原料ガス及び各キャリアガスをＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に供給している状態における反応炉内の圧力である。
　第３のＡｌＧａＮ層４の厚さは、第２のＡｌＧａＮ層５の厚さよりも厚いのが好ましい。これにより、双方向スイッチ素子１の耐圧をより高くすることが可能となる。第３のＡｌＧａＮ層４の厚さは、例えば、６００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。
　本願発明者らは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１において、基板２を電気的にフローティングした状態で、双方向スイッチ素子１をターンオンさせたときのオン抵抗（Ｒon）の時間変化について評価した。ここにおいて、「基板２を電気的にフローティングした状態」とは、基板２が第１のソース電極Ｓ１、第２のソース電極Ｓ２、第１のゲート電極Ｇ１及び第２のゲート電極Ｇ２のいずれとも電気的に絶縁された状態を意味する。
　また、本願発明者らは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１の比較例に係る双方向スイッチ素子についても、基板をフローティングした状態で、比較例に係る双方向スイッチ素子をターンオンさせたときのオン抵抗の時間変化について評価した。比較例に係る双方向スイッチ素子は、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１の第２のＡｌＧａＮ層５を備えていない。比較例に係る双方向スイッチ素子は、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１のＧａＮ層６の代わりに、ＧａＮ層６の厚さと第２のＡｌＧａＮ層５の厚さとの合計厚さを有する第１のＧａＮ層を備え、第２のＡｌＧａＮ層５よりもＣの濃度の高い第３のＡｌＧａＮ層４の代わりに、第１のＧａＮ層よりもＣの濃度の高い第２のＧａＮ層を備えている。第１のＧａＮ層は、アンドープのＧａＮ層である。つまり、比較例に係る双方向スイッチ素子は、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１のダブルヘテロ構造の代わりに、シングルヘテロ構造を採用している。
　オン抵抗の時間変化の評価に際しては、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１及び比較例に係る双方向スイッチ素子それぞれに流れる電流の電流値を１０Ａとしたときのオン抵抗－時間特性により評価した。双方向スイッチ素子１及び比較例の双方向スイッチの各々の両端間（第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間）に接続している直流電源の電圧をＶｄｄとし、オン抵抗は、オームの法則に従ってＶｄｄ／１０の計算で求めた値である。なお、双方向スイッチ素子１に関して、スイッチ動作させる前の電流コラプスの発生していない場合のオン抵抗の実測値は、３０ｍΩである。
　比較例の双方向スイッチ素子では、Ｖｄｄが大きくなるほどオン抵抗が上昇していることから、電流コラプスが発生していることが分かった。これに対して、実施形態１の双方向スイッチ素子１では、比較例の双方向スイッチ素子と比べて、Ｖｄｄが大きくなった場合のオン抵抗の上昇が抑制されていることから、電流コラプスが抑制されている。
　図２Ａ及び２Ｂは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１及び比較例の双方向スイッチ素子それぞれについて、電流コラプスの発生していないときのオン抵抗を１とした場合のオン抵抗の比（言い換えれば規格化されたオン抵抗）とＶｄｄとの関係を示している。図２Ａ及び２Ｂの各々は、基板２を電気的にフローティングした状態でのオン抵抗の比とＶｄｄとの関係を示している。
　図２Ａ及び２Ｂからも、実施形態１の双方向スイッチ素子１では、比較例の双方向スイッチ素子と比べて、Ｖｄｄが大きくなった場合のオン抵抗の上昇が抑制されていることが分かる。
　実施形態１に係る双方向スイッチ素子１は、基板２と、ＧａＮ層６と、第１のＡｌＧａＮ層７と、第１のソース電極Ｓ１と、第１のゲート電極Ｇ１と、第２のゲート電極Ｇ２と、第２のソース電極Ｓ２と、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１と、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２と、第２のＡｌＧａＮ層５と、第３のＡｌＧａＮ層４と、を備える。ＧａＮ層６は、基板２上に形成されている。第１のＡｌＧａＮ層７は、ＧａＮ層６上に形成されている。第１のソース電極Ｓ１、第１のゲート電極Ｇ１、第２のゲート電極Ｇ２、及び、第２のソース電極Ｓ２は、第１のＡｌＧａＮ層７上に形成されている。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１は、第１のゲート電極Ｇ１と第１のＡｌＧａＮ層７との間に介在している。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２は、第２のゲート電極Ｇ２と第１のＡｌＧａＮ層７との間に介在している。第２のＡｌＧａＮ層５は、基板２とＧａＮ層６との間に介在している。第３のＡｌＧａＮ層４は、基板２と第２のＡｌＧａＮ層５との間に介在し、第２のＡｌＧａＮ層５よりもＣの濃度が高い。
　実施形態１に係る双方向スイッチ素子１では、上記の第２のＡｌＧａＮ層５及び第３のＡｌＧａＮ層４を備えることにより、電流コラプスを抑制することが可能となる。
　図３は、実施形態１の変形例に係る双方向スイッチ素子１ａの断面図である。変形例に係る双方向スイッチ素子１ａに関し、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　変形例に係る双方向スイッチ素子１ａは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１の第３のＡｌＧａＮ層４、第２のＡｌＧａＮ層５の代わりに、第３のＡｌＧａＮ層４ａ、第２のＡｌＧａＮ層５ａを備えている。第３のＡｌＧａＮ層４ａは、アンドープのＡｌＧａＮ層である。第３のＡｌＧａＮ層４ａのＡｌの組成比は、０．０５である。つまり、第３のＡｌＧａＮ層４ａは、アンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層である。また、第３のＡｌＧａＮ層４ａのＡｌの組成比は、第３のＡｌＧａＮ層４ａのＡｌの組成比と同じであり、０．０５である。
　第２のＡｌＧａＮ層５ａは、基板２とＧａＮ層６との間に位置しており、ＧａＮ層６と共に第２のヘテロ接合部ＨＪ２を構成する。第３のＡｌＧａＮ層４ａは、基板２と第２のＡｌＧａＮ層５ａとの間に位置しており、第２のＡｌＧａＮ層５ａよりもＣの濃度が高い。第２のＡｌＧａＮ層５ａを構成するアンドープのＡｌＧａＮ層のＣの濃度は、一例として、７×１０１６ｃｍ－３である。第３のＡｌＧａＮ層４ａのＣの濃度は、例えば、５×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下である。実施形態１の変形例に係る双方向スイッチ素子１ａでは、ＧａＮ層６、第１のＡｌＧａＮ層７、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２、第２のＡｌＧａＮ層５ａ及び第３のＡｌＧａＮ層４ａが、それぞれ、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ここで、０≦ｚ＜１）、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ここで、０＜ｂ＜１）、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（ここで、０≦ｘ１≦１）、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（ここで、０≦ｘ２≦１）、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ここで、０＜ｙ＜１、かつ、ｚ＜ｙ＜ｂ）及びＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（ここで、０＜ｗ＜１、かつ、ｚ＜ｗ＜ｂ）の一例である。
　変形例に係る双方向スイッチ素子１ａは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１と同様、電流コラプスの発生を抑制することが可能となる。
　ここにおいて、変形例に係る双方向スイッチ素子１では、比較例に係る双方向スイッチ素子と比べてオフリーク電流が大きくなってしまう。これに対して、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１では、変形例に係る双方向スイッチ素子と比べてオフリーク電流を低減することができる。オフリーク電流とは、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態、第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態のときに、第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ流れる電流である。
　図４は、第２のソース電極Ｓ２を第１のソース電極Ｓ１よりも高電位として第２のソース電極Ｓ２と第１のソース電極Ｓ１との間の電圧をＶS2S1とした場合の、ＶS2S1とリーク電流（オフリーク電流）との関係を示している。図４中のＤＨは、上述のダブルヘテロ構造を有する実施形態１の双方向スイッチ素子１の一例の測定データであり、図４中のＳＨは上述のシングルヘテロ構造を有する比較例の双方向スイッチ素子の一例の測定データである。図４から、ＶS2S1が４００Ｖ以下であれば、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１のリーク電流が比較例の双方向スイッチのリーク電流よりも小さいことが分かる。
　上述のように実施形態１に係る双方向スイッチ素子１は、第２のＡｌＧａＮ層５のＡｌの組成比が０．０５未満である。これにより、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１は、オフリーク電流を抑制することが可能となる。
　（実施形態２）
　以下では、実施形態２に係る双方向スイッチ素子１ｂについて、図５に基づいて説明する。
　実施形態２に係る双方向スイッチ素子１ｂに関し、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１（図１参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　実施形態２に係る双方向スイッチ素子１ｂは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１の第３のＡｌＧａＮ層４、第２のＡｌＧａＮ層５の代わりに、第３のＡｌＧａＮ層４ｂ、第２のＡｌＧａＮ層５ｂを備えている。実施形態２に係る双方向スイッチ素子１ｂでは、ＧａＮ層６、第１のＡｌＧａＮ層７、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２、第２のＡｌＧａＮ層５ｂ及び第３のＡｌＧａＮ層４ｂが、それぞれ、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ここで、０≦ｚ＜１）、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ここで、０＜ｂ＜１）、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（ここで、０≦ｘ１≦１）、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（ここで、０≦ｘ２≦１）、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ここで、０＜ｙ＜１、かつ、ｚ＜ｙ＜ｂ）及びＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（ここで、０＜ｗ＜１、かつ、ｚ＜ｗ＜ｂ）の一例である。
　第３のＡｌＧａＮ層４ｂのＡｌの組成比は、例えば、０．０５である。つまり、第３のＡｌＧａＮ層４ｂは、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。第３のＡｌＧａＮ層４ｂは、第２のＡｌＧａＮ層５ｂよりもＣの濃度が高い。第３のＡｌＧａＮ層４ｂのＣの濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ－３以上１×１０１９ｃｍ－３以下である。
　第２のＡｌＧａＮ層５ｂのＡｌの組成比は、第３のＡｌＧａＮ層４ｂのＡｌの組成比よりも小さい。第２のＡｌＧａＮ層５ｂでは、第２のＡｌＧａＮ層５ｂの厚み方向において第３のＡｌＧａＮ層４ｂから離れるにつれてＡｌの組成比が小さくなっている。言い換えれば、第２のＡｌＧａＮ層５ｂは、第３のＡｌＧａＮ層４ｂから離れるにつれてバンドギャップエネルギが小さくなっており、ＧａＮ層６に近づくにつれてＧａＮ層６とのバンドギャップエネルギの差が小さくなっている。ここにおいて、第２のＡｌＧａＮ層５ｂは、例えば、互いにＡｌの組成比の異なる３層以上のＡｌＧａＮ層の積層膜である。一例として、第２のＡｌＧａＮ層５ｂは、互いにＡｌの組成比の異なる１０層のＡｌＧａＮ層の積層膜である。ここにおいて、１０層のＡｌＧａＮ層の各々の厚さは、第２のＡｌＧａＮ層５ｂの厚さの１０分の１の厚さである。また、１０層のＡｌＧａＮ層は、第２のＡｌＧａＮ層５ｂの厚み方向においてＧａＮ層６から離れるにつれてＡｌの組成比が０．００５ずつ増加している。つまり、１０層のＡｌＧａＮ層は、第２のＡｌＧａＮ層５ｂの厚み方向においてＧａＮ層６側から、Ａｌ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎ層、Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層、Ａｌ０．０１５Ｇａ０．９８５Ｎ層、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層、Ａｌ０．０２５Ｇａ０．９７５Ｎ層、Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層、Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層、Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層、Ａｌ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎ層、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層の順に並んでいる。
　実施形態２に係る双方向スイッチ素子１ｂは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１と同様、電流コラプスの発生を抑制することが可能となる。
　図６は、ＶS2S1とリーク電流（オフリーク電流）との関係を示している。図６中のＡｌグレーデッドは実施形態２に係る双方向スイッチ素子１ｂの一例の測定データであり、図６中のＳＨは上述のシングルヘテロ構造を有する比較例の双方向スイッチ素子の一例の測定データである。図６から、ＶS2S1が２５０Ｖ以下であれば、実施形態２に係る双方向スイッチ素子１ｂのリーク電流が比較例の双方向スイッチのオフリーク電流よりも小さいことが分かる。
　（実施形態３）
　以下では、実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃについて、図７に基づいて説明する。
　実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃに関し、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１（図１参照）と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃは、実施形態１に係る双方向スイッチ素子１のバッファ層３、第３のＡｌＧａＮ層４、第２のＡｌＧａＮ層５及びＧａＮ層６の代わりに、バッファ層３ｃ、第３のＡｌＧａＮ層４ｃ、第２のＡｌＧａＮ層５ｃ及び第４のＡｌＧａＮ層６１を備えている。実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃでは、第４のＡｌＧａＮ層６１、第１のＡｌＧａＮ層７、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２、第２のＡｌＧａＮ層５ｃ及び第３のＡｌＧａＮ層４ｃが、それぞれ、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ここで、０≦ｚ＜１）、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ここで、０＜ｂ＜１）、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（ここで、０≦ｘ１≦１）、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（ここで、０≦ｘ２≦１）、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ここで、０＜ｙ＜１、かつ、ｚ＜ｙ＜ｂ）及びＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（ここで、０＜ｗ＜１、かつ、ｚ＜ｗ＜ｂ）の一例である。
　第４のＡｌＧａＮ層６１は、アンドープのＡｌＧａＮ層である。第４のＡｌＧａＮ層６１を構成するアンドープのＡｌＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。第４のＡｌＧａＮ層６１の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。第４のＡｌＧａＮ層６１に対応するＡｌｚＧａ１－ｚＮ層のＡｌの組成比ｚが、第１のＡｌＧａＮ層７により構成されるＡｌｂＧａ１－ｂＮ層のＡｌの組成比ｂよりも小さく、かつ、第２のＡｌＧａＮ層５ｃに対応するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙよりも小さい。
　第１のＡｌＧａＮ層７は、第４のＡｌＧａＮ層６１と共に第１のヘテロ接合部ＨＪ１ｃを構成する。第４のＡｌＧａＮ層６１においては、第１ヘテロ接合部ＨＪ１ｃの近傍に、２次元電子ガスが発生している。第１のＡｌＧａＮ層７を構成するアンドープのＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比は、例えば、０．１７である。
　第２のＡｌＧａＮ層５ｃは、第４のＡｌＧａＮ層６１と共に第２のヘテロ接合部ＨＪ２ｃを構成する。第２のＡｌＧａＮ層５ｃは、第４のＡｌＧａＮ層６１の厚さ方向において、第１のＡｌＧａＮ層７側とは反対側に位置している。要するに、第２のＡｌＧａＮ層５ｃは、第４のＡｌＧａＮ層６１を挟んで第１のＡｌＧａＮ層７と対向している。したがって、双方向スイッチ素子１ｃは、第１のＡｌＧａＮ層７と第４のＡｌＧａＮ層６１と第２のＡｌＧａＮ層５ｃとを含むダブルヘテロ構造を有している。第１のＡｌＧａＮ層７及び第２のＡｌＧａＮ層５ｃの各々のバンドギャップは、第４のＡｌＧａＮ層６１のバンドギャップよりも大きい。
　第２のＡｌＧａＮ層５ｃは、アンドープのＡｌＧａＮ層である。第２のＡｌＧａＮ層５ｃを構成するアンドープのＡｌＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。第２のＡｌＧａＮ層５ｃのＡｌの組成比、言い換えれば、第２のＡｌＧａＮ層５ｃに対応するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙは、例えば、０．０２である。つまり、第２のＡｌＧａＮ層５ｃは、アンドープのＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。第２のＡｌＧａＮ層５ｃに対応するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＣの濃度は、一例として、７×１０１６ｃｍ－３であったが、この数値に限定されない。ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＣの濃度は、例えば、３×１０１７ｃｍ－３以下であるのが好ましい。第２のＡｌＧａＮ層５ｃの厚さは、例えば、１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
　第３のＡｌＧａＮ層４ｃは、基板２と第２のＡｌＧａＮ層５ｃとの間に位置している。第３のＡｌＧａＮ層４ｃのＡｌの組成比、言い換えれば、第３のＡｌＧａＮ層４ｃにより構成されるＡｌｗＧａ１－ｗＮ層のＡｌの組成比ｗは、第２のＡｌＧａＮ層５ｃに対応するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙと同じであるのが好ましく、例えば、０．０２である。つまり、第３のＡｌＧａＮ層４ｃは、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。第３のＡｌＧａＮ層４ｃは、第２のＡｌＧａＮ層５ｃよりもＣの濃度が高い。第３のＡｌＧａＮ層４ｃのＣの濃度は、例えば、５×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１９ｃｍ－３以下である。第３のＡｌＧａＮ層４ｃは、その成長時に意図的にＣをドーピングしている。より詳細には、第３のＡｌＧａＮ層４ｃの成長速度が第２のＡｌＧａＮ層５ｃの成長速度よりも速くなるように第３のＡｌＧａＮ層４ｃの成長条件を設定することにより、第３のＡｌＧａＮ層４ｃのＣの濃度を第２のＡｌＧａＮ層５ｃのＣの濃度よりも高くしている。ここにおいて、第３のＡｌＧａＮ層４ｃは、第２のＡｌＧａＮ層５ｃよりも電気絶縁性が高く、電気絶縁層として機能する。これにより、第４のＡｌＧａＮ層６１の厚さ方向に電流が流れるのを抑制することができる。
　バッファ層３ｃは、ＣドープのＧａＮ層である。バッファ層３ｃは、その成長時に意図的にＣをドーピングしている。バッファ層３ｃのＣの濃度は、アンドープのＧａＮ層により構成されるバッファ層３のＣの濃度よりも高い。バッファ層３ｃの厚さは、例えば、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。
　実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃは、第２のＡｌＧａＮ層５ｃに対応するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙが０．０５未満である。これにより、実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃは、オフリーク電流を抑制することが可能となる。
　また、実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃは、第３のＡｌＧａＮ層４ｃに対応するＡｌｗＧａ１－ｗＮ層のＡｌの組成比ｗが０．０５未満である。これにより、実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃは、オフリーク電流を抑制することが可能となる。
　また、実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃは、第２のＡｌＧａＮ層５ｃに対応するＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙが０．０３未満であり、第３のＡｌＧａＮ層４ｃに対応するＡｌｗＧａ１－ｗＮ層のＡｌの組成比ｗが０．０３未満であるのが好ましい。これにより、実施形態３に係る双方向スイッチ素子１ｃでは、オフリーク電流をより一層抑制することが可能となる。
　上記の実施形態１～３等は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。上記の実施形態１～３等は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
　例えば、第２のＡｌＧａＮ層５ｂにおける３層以上のＡｌＧａＮ層の厚さの関係は、特に限定されない。例えば、３層以上のＡｌＧａＮ層は、厚さが同じである場合に限らず、互いに厚さが異なっていてもよい。
　また、第２のＡｌＧａＮ層５ｂは、Ａｌの組成比がステップ状に変化している場合に限らず、連続的に変化していてもよい。
　また、基板２は、シリコン基板に限らず、例えば、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、サファイア基板等であってもよい。
　双方向スイッチ素子１、１ａ、１ｂ、１ｃの各々の他の第１例では、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１の代わりに第１のｐ型ＧａＮ層を備え、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２の代わりに第２のｐ型ＧａＮ層を備えていてもよい。
　また、双方向スイッチ素子１、１ａ、１ｂ、１ｃの各々の他の第２例では、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１の代わりに、ｐ型金属酸化物半導体層からなる第１のゲート層を備え、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の代わりに、ｐ型金属酸化物半導体層からなる第２のゲート層を備えていてもよい。第１のゲート層及び第２のゲート層の各々のｐ型金属酸化物半導体層は、例えば、ＮｉＯ層である。ＮｉＯ層は、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウムの群から選ばれる少なくとも１種のアルカリ金属を不純物として含んでいてもよい。また、ＮｉＯ層は、例えば、不純物として添加されたときに一価となる銀、銅等の遷移金属を含んでいてもよい。第１のゲート層は、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間に電圧が印加されていないときに、第１のゲート層直下において第１のＡｌＧａＮ層７とＧａＮ層６とに空乏層を形成する。第２のゲート層は、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間に電圧が印加されていないときに、第２のゲート層直下において第１のＡｌＧａＮ層７とＧａＮ層６とに空乏層を形成する。
　また、双方向スイッチ素子１の他の第３例では、第２のＡｌＧａＮ層５の代わりに、ＩｎＡｌＧａＮ層を備えていてもよい。この場合、ＩｎＡｌＧａＮ層は、アンドープのＩｎ0.05Ａｌ0.10Ｇａ0.85Ｎ層により構成してもよい。
　また、双方向スイッチ素子１の他の第４例では、第３のＡｌＧａＮ層４の代わりに、ＩｎＡｌＧａＮ層を備えていてもよい。この場合、第３のＡｌＧａＮ層４の代わりのＩｎＡｌＧａＮ層は、第２のＡｌＧａＮ層５の代わりのＩｎＡｌＧａＮ層よりもＣの濃度の高いＩｎ0.05Ａｌ0.10Ｇａ0.85Ｎ層により構成してもよい。
　（まとめ）
　以上説明した実施形態等から本明細書には以下の態様が開示されている。
　第１の態様に係る双方向スイッチ素子（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）は、基板（２）と、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ここで、０≦ｚ＜１）と、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ここで、０＜ｂ＜１）と、第１のソース電極（Ｓ１）と、第１のゲート電極（Ｇ１）と、第２のゲート電極（Ｇ２）と、第２のソース電極（Ｓ２）と、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（ここで、０≦ｘ１≦１）と、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（ここで、０≦ｘ２≦１）と、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ここで、０＜ｙ＜１、かつ、ｚ＜ｙ＜ｂ）と、ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（ここで、０＜ｗ＜１、かつ、ｚ＜ｗ＜ｂ）と、を備える。ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ＧａＮ層６；第４のＡｌＧａＮ層６１）は、基板（２）上に形成されている。ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（第１のＡｌＧａＮ層７）は、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ＧａＮ層６；第４のＡｌＧａＮ層６１）上に形成されている。第１のソース電極（Ｓ１）、第１のゲート電極（Ｇ１）、第２のゲート電極（Ｇ２）、及び、第２のソース電極（Ｓ２）は、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（第１のＡｌＧａＮ層７）上に形成されている。ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（第１のｐ型ＡｌＧａＮ層８１）は、第１のゲート電極（Ｇ１）とＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（第１のＡｌＧａＮ層７）との間に介在している。ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（第２のｐ型ＡｌＧａＮ層８２）は、第２のゲート電極（Ｇ２）とＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（第１のＡｌＧａＮ層７）との間に介在している。ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５；５ａ；５ｂ；５ｃ）は、基板（２）とＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ＧａＮ層６；第４のＡｌＧａＮ層６１）との間に介在している。ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（第３のＡｌＧａＮ層４；４ａ；４ｂ；４ｃ）は、基板（２）とＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５；５ａ；５ｂ；５ｃ）との間に介在し、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５；５ａ；５ｂ；５ｃ）よりもＣの濃度が高い。
　第１の態様に係る双方向スイッチ素子（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）では、電流コラプスを抑制することが可能となる。
　第２の態様に係る双方向スイッチ素子（１；１ｃ）では、第１の態様において、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５；５ｃ）のＡｌの組成比（ｙ）が０．０５未満である。
　第２の態様に係る双方向スイッチ素子（１；１ｃ）では、オフリーク電流を抑制することが可能となる。
　第３の態様に係る双方向スイッチ素子（１ｂ）では、第１又は２の態様において、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５ｂ）のＡｌの組成比（ｙ）は、ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（第３のＡｌＧａＮ層４ｂ）のＡｌの組成比（ｗ）よりも小さい。ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５ｂ）では、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５ｂ）の厚み方向においてＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（第３のＡｌＧａＮ層４ｂ）から離れるにつれてＡｌの組成比（ｙ）が小さくなっている。
　第３の態様に係る双方向スイッチ素子（１ｂ）では、オフリーク電流を抑制することが可能となる。
　第４の態様に係る双方向スイッチ素子（１ｂ）では、第１～３の態様のいずれか一つにおいて、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５ｂ）は、互いにＡｌの組成比の異なる３層以上のＡｌＧａＮ層の積層膜である。
　第４の態様に係る双方向スイッチ素子（１ｂ）では、オフリーク電流の発生を抑制することが可能となる。
　第５の態様に係る双方向スイッチ素子（１ｃ）では、第２の態様において、ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（第３のＡｌＧａＮ層４ｃ）のＡｌの組成比（ｗ）が０．０５未満である。
　第５の態様に係る双方向スイッチ素子（１ｃ）では、オフリーク電流をより抑制することが可能となる。
　第６の態様に係る双方向スイッチ素子（１ｃ）では、第５の態様において、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（第２のＡｌＧａＮ層５ｃ）のＡｌの組成比（ｙ）が０．０３未満であり、ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（第３のＡｌＧａＮ層４ｃ）のＡｌの組成比（ｗ）が０．０３未満である。
　第６の態様に係る双方向スイッチ素子（１ｃ）では、オフリーク電流をより一層抑制することが可能となる。
　第７の態様に係る双方向スイッチ素子（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）は、第１～６の態様のいずれか一つにおいて、基板（２）が第１のソース電極（Ｓ１）、第２のソース電極（Ｓ２）、第１のゲート電極（Ｇ１）及び第２のゲート電極（Ｇ２）のいずれとも電気的に絶縁された状態で使用される。
　第７の態様に係る双方向スイッチ素子（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）では、基板（２）が接地された状態で使用することなく電流コラプスを抑制することが可能となる。
　第８の態様に係る双方向スイッチ素子（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）では、第１～７の態様のいずれか一つにおいて、第３のＡｌＧａＮ層（４；４ａ；４ｂ；４ｃ）の厚さが、第２のＡｌＧａＮ層（５；５ａ；５ｂ；５ｃ）の厚さよりも厚い。
　第８の態様に係る双方向スイッチ素子（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）では、耐圧の向上を図ることが可能となる。
　１、１ａ、１ｂ、１ｃ　双方向スイッチ素子
　２　基板
　４、４ａ、４ｂ、４ｃ　第３のＡｌＧａＮ層（ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層）
　５、５ａ、５ｂ、５ｃ　第２のＡｌＧａＮ層（ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層）
　６　ＧａＮ層（ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層）
　６１　第４のＡｌＧａＮ層（ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層）
　７　第１のＡｌＧａＮ層（ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層）
　８１　第１のｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層）
　８２　第２のｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層）
　Ｇ１　第１のゲート電極
　Ｇ２　第２のゲート電極
　Ｓ１　第１のソース電極
　Ｓ２　第２のソース電極

Claims (8)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に形成されているＡｌｚＧａ１－ｚＮ層（ここで、０≦ｚ＜１）と、
    　前記ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層上に形成されているＡｌｂＧａ１－ｂＮ層（ここで、０＜ｂ＜１）と、
    　前記ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層上に形成されている第１のソース電極、第１のゲート電極、第２のゲート電極、及び、第２のソース電極と、
    　前記第１のゲート電極と前記ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層との間に介在しているｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層（ここで、０≦ｘ１≦１）と、
    　前記第２のゲート電極と前記ＡｌｂＧａ１－ｂＮ層との間に介在しているｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層（ここで、０≦ｘ２≦１）と、
    　前記基板と前記ＡｌｚＧａ１－ｚＮ層との間に介在しているＡｌｙＧａ１－ｙＮ層（ここで、０＜ｙ＜１、かつ、ｚ＜ｙ＜ｂ）と、
    　前記基板と前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層との間に介在し、前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層よりもＣの濃度が高いＡｌｗＧａ１－ｗＮ層（ここで、０＜ｗ＜１、かつ、ｚ＜ｗ＜ｂ）と、を備える、
    　双方向スイッチ素子。
  2. 　前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙが０．０５未満である、
    　請求項１に記載の双方向スイッチ素子。
  3. 　前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙは、前記ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層のＡｌの組成比ｗよりも小さく、
    　前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層では、前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層の厚み方向において前記ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層から離れるにつれてＡｌの組成比ｙが小さくなっている、
    　請求項１又は２に記載の双方向スイッチ素子。
  4. 　前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層は、互いにＡｌの組成比の異なる３層以上のＡｌＧａＮ層の積層膜である、
    　請求項１～３のいずれか一項に記載の双方向スイッチ素子。
  5. 　前記ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層のＡｌの組成比ｗが０．０５未満である、
    　請求項２に記載の双方向スイッチ素子。
  6. 　前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層のＡｌの組成比ｙが０．０３未満であり、
    　前記ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層のＡｌの組成比ｗが０．０３未満である、
    　請求項５に記載の双方向スイッチ素子。
  7. 　前記基板が前記第１のソース電極、前記第２のソース電極、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極のいずれとも電気的に絶縁された状態で使用される、
    　請求項１～６のいずれか一項に記載の双方向スイッチ素子。
  8. 　前記ＡｌｗＧａ１－ｗＮ層の厚さが、前記ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層の厚さよりも厚い、
    　請求項１～７のいずれか一項に記載の双方向スイッチ素子。
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